神经网络学习之导数

r囧r小猫 2022-11-03 13:30 117阅读 0赞

在神经网络中，有一个常用的激活函数sigmoid函数，这个函数在高等数学中应该是有的，只是当时没有理会。函数图像如下，本文主要主要梳理下相应的数学知识，具体的应用在后续的文章中会涉及。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hlbGxvd29ybGRkbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
本文涉及到数学公式，基本都是大学课本或者高中课本里的，有兴趣的一起来回忆下。

**传说一个公式能少一个粉丝，但是那也没有办法，神经网络离不开数学**，有兴趣的请坚持看下去，虽然有点无聊，但是也许你能了解些新的知识。

### 导数 ###

#### 定义 ####

导数（Derivative），也叫导函数值。又名微商，是微积分中的重要基础概念。当函数y=f（x）的自变量x在一点x0上产生一个增量Δx时，函数输出值的增量Δy与自变量增量Δx的比值在Δx趋于0时的极限a如果存在，a即为在x0处的导数，记作f’（x0）或df（x0）/dx。  
![在这里插入图片描述][2021022818412546.png_pic_center]

#### 手动求导数 ####

##### 导数公式 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hlbGxvd29ybGRkbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]求下面的导数:

y = x 2 + 2 x y = x^2 + 2x y=x2\+2x  
根据导数公式，很容易求的导数是:  
 y ˙ = 2 x + 2 \\dot\{y\} = 2x+2 y˙=2x\+2

顺便说一下： 一个多变量的函数的**偏导数**，就是它关于其中一个变量的导数而保持其他变量恒定（相对于全导数，在其中所有变量都允许变化）

#### lnx的导数 ####

lnx的导数是1/x，这个是众所周知的，但是它是怎么证明的，这里就用到了导数的定义，下面是详细的证明过程:  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hlbGxvd29ybGRkbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
那么这个重要极限又是怎么证明的，  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hlbGxvd29ybGRkbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

#### 复合函数求导 ####

复合函数求导公式：设u=g(x)，对f(u)求导得：f’(x)=f’(u)\*g’(x)，设u=g(x),a=p(u)，对f(a)求导得：f’(x)=f’(a)\*p’(u)\*g’(x)。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hlbGxvd29ybGRkbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]对sigmoid函数求导涉及到的重要公式:  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hlbGxvd29ybGRkbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]下面通过计算求出公式2.1中的第二个式子，其他的同理。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hlbGxvd29ybGRkbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

#### 计算机求导 ####

计算机求导基于的是导数的定义。如果要计算x=3, y=4时关于x的f(x,y)的偏导数， 则可以计算f(3+ε,4) - f(3, 4)并将结果除以ε(使用极限的ε值)。这种类型的导数值称为极限差分近似。

def f(x, y):
        return x ** 2 * y + y + 2
    
    
    def derivative(f, x, y, x_eps, y_eps):
        return (f(x + x_eps, y + y_eps) - f(x, y)) / (x_eps + y_eps)
    
    
    df_dx = derivative(f, 3, 4, 0.000001, 0)
    df_dy = derivative(f, 3, 4, 0, 0.000001)
    
    print(df_dx)
    print(df_dy)

最终的结果:  
24.000004003710274  
9.99999999606871

按照手动求偏导的结果很接近了。 公式求偏导的结果是24和10。这个可以用来做检验。

### 参考 ###

https://www.cnblogs.com/peghoty/p/3857839.html  
https://www.jianshu.com/p/e74eb43960a1  
https://baike.baidu.com/item/%E5%AF%BC%E6%95%B0/579188?fr=aladdin  
https://zhidao.baidu.com/question/524121644.html

### 写在最后 ###

导数还是很重要的，在优化算法时候的梯度下降法中的梯度本质上就是导数。

### 公众号 ###

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